金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在汽車發(fā)動機維修中的應(yīng)用

1、金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在汽車發(fā)動機維修中的應(yīng)用秦傳江 徐中明 摘要：金屬磨損自修復(fù)技術(shù)，是由一組天然礦石材料的超細粉體構(gòu)成的，添加在潤滑脂（或油）中，在金屬摩擦表面磨損時產(chǎn)生的熱能作用下發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)后，在摩擦表面生成光潔度的鐵基硅酸鹽耐磨保護層（金屬陶瓷層），對已磨損的部位實現(xiàn)自動修復(fù)，同時使機械零件的使用壽命獲得大幅度增加，廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機維修中。關(guān)鍵詞：磨損 自修復(fù) 耐磨保護層 汽車維修一、 引 言 磨擦磨損是自然界普遍存在的現(xiàn)象，也是機械零件失效的主要形式之一。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)動機中由于磨損產(chǎn)生的故障在各種故障中占有很大比重。造成發(fā)動機磨損加劇的主要原因是潤滑不良、配對材料欠佳、制造和裝配

2、質(zhì)量差、使用條件惡化、灰塵和溫度影響，以及交變負荷的作用等方面。發(fā)動機氣缸、活塞、活塞環(huán)組是發(fā)動機的心臟部分，也是工作條件極為惡劣的部位。發(fā)動機的壽命取決于氣缸、活塞、曲軸、軸承等機件的磨損程度。特別是氣缸、活塞環(huán)的磨損率決定發(fā)動機的大修間隔期限，它在高溫高壓燃氣環(huán)境里承受彎曲、沖擊及過度磨損，均影響氣缸體的密封性能，進而導(dǎo)致發(fā)動機性能惡化。通常缸套最大允許磨損量為內(nèi)徑的0.4%0.8%。氣缸的表面質(zhì)量、燃油的質(zhì)量、潤滑油的質(zhì)量、冷卻水溫度和工作條件等因素都會對氣缸的磨損產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致氣缸出現(xiàn)磨損、拉缸和穴蝕等損傷，從而引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、振動加劇、出現(xiàn)噪音、冒白煙或冒黑煙等狀況的發(fā)生。

3、對發(fā)動機氣缸、活塞、活塞環(huán)組的維修傳統(tǒng)的修復(fù)工藝是需要解體發(fā)動機，加氣缸套、更換活塞、活塞環(huán)組并對其進行適當?shù)墓に嚰庸? 以恢復(fù)其技術(shù)性能。這樣的修復(fù)方式既不經(jīng)濟又延長維修時間。金屬磨損自修復(fù)技術(shù)可以在不解體發(fā)動機，使發(fā)動機處于正常工作狀態(tài)中自動修復(fù)磨損面，自動調(diào)整修復(fù)層厚度和同心度，提高發(fā)動機的精度、壽命，降低摩擦面的摩擦系數(shù)，避免停工損失，從而達到發(fā)動機在“使用中的修養(yǎng)合一”的理想效果。該項技術(shù)以全新的維修理念,為汽車發(fā)動機的磨損修復(fù)擴展了一個新的領(lǐng)域。二、金屬磨損自修復(fù)技術(shù)金屬磨損自修復(fù)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項具有革命性的表面工程領(lǐng)域的新技術(shù)。它是采用“一種礦石粉體潤滑組合物” （粒度

4、不大于10m，如圖1）的修復(fù)材料，添加到油品和潤滑脂中使用。修復(fù)材料的主要成分為蛇紋石及少量的添加劑和催化劑，常用組分包含（質(zhì)量百分比）蛇紋石（化學(xué)通式為3MgO·2SiO2·2H2O，結(jié)晶構(gòu)造式為Mg3(Si2O5(OH4）50-80% ，軟玉10-40%, 次石墨110%。使用時，該修復(fù)材料以潤滑油或潤滑脂作為載體, 進入摩擦副的工作面，通過擠壓，摩擦表面在摩擦磨損過程中，在鐵基金屬摩擦表面形成一層與金屬基體有著極強的結(jié)合力、具有異乎尋常的力學(xué)和物理性能的金屬陶瓷保護層。修復(fù)材料不與油品發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 不改變油的粘度和性質(zhì), 使用中無毒副作用，對環(huán)境和人體無害。金屬磨損

5、自修復(fù)技術(shù)的特點是在機械裝備不解體的情況下, 可在機械裝備運行過程中完成鐵基金屬磨損部位的自修復(fù)過程, 生成減磨性能優(yōu)異的金屬陶瓷保護層, 它所生成的保護層不僅能夠補償間隙，使摩擦表面硬度和光潔度提高, 摩擦系數(shù)大幅度降低, 并使已經(jīng)磨損的部位恢復(fù)到原來尺寸,還可以優(yōu)化配合間隙，有利于降低機械振動, 減少噪音, 節(jié)約能源，大幅度延長設(shè)備的使用壽命, 降低能耗。圖1：超細粉體微粒鐵譜照片（< 10m）三、金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的機理當金屬磨損自修復(fù)材料中的微米級粒徑顆粒材料以潤滑脂作為載體進入相互摩擦的機械零件中時，這些微粒材料在機械零件的摩擦中對相互摩擦的機械零件產(chǎn)生超精研磨作用，

6、并通過一系列物理的和化學(xué)的變化，從而改變了摩擦表面的金屬微觀結(jié)構(gòu)。修復(fù)材料在機械零件摩擦表面發(fā)生的物理變化是：機械零件在相互摩擦過程中，在摩擦力的作用下，超細微粒顆粒被進一步碾碎，此時微小顆粒對金屬摩擦表面產(chǎn)生超精研磨作用，有足夠硬度的微粒的超精研磨作用造成金屬表面微凸體斷裂，使得機械零件摩擦表面的光潔度進一步提高。修復(fù)材料在機械零件金屬摩擦表面發(fā)生的化學(xué)變化是：在超精研磨中，微凸體斷裂時產(chǎn)生的幾百度的瞬間閃溫，使微粒晶體中鎂原子與摩擦表面的鐵原子發(fā)生置換反應(yīng)，促使抗磨修復(fù)材料在催化劑、活化劑作用下發(fā)生微燒結(jié)、微冶金過程，在鐵基金屬摩擦表面生成鐵基硅酸鹽保護層，亦稱金屬陶瓷層。這一鐵基硅酸鹽保

7、護層是在金屬表面微凸體發(fā)生斷裂出現(xiàn)閃溫時產(chǎn)生的，在非磨損部位上不產(chǎn)生摩擦熱，不發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)。因而這種鐵基硅酸鹽保護層的生成有選擇性，它只會在相互摩擦的機械零件金屬摩擦表面生成一層耐磨的保護層。在機械零件間不斷發(fā)生磨損，摩擦面磨損嚴重時表面凸凹更明顯，運動時較多機會產(chǎn)生更高的閃溫，磨損產(chǎn)生的微凸體斷裂和釋放的熱能使這種化學(xué)置換反應(yīng)繼續(xù)進行，抗磨修復(fù)材料發(fā)生微燒結(jié)、微冶金的機會也越多；當其表面生成一層金屬瓷保護層后，磨損部位的修復(fù)，使其表面光潔度提高、摩擦系數(shù)降低，磨擦產(chǎn)生的熱能下降，不能提供形成修復(fù)層所需要的高溫，化學(xué)置換反應(yīng)也就停止，修復(fù)層厚度不再增加。但是當這一耐磨保護層受到破壞時，金屬

8、表面的摩擦熱急劇增加，新的置換反應(yīng)又將開始，使耐磨保護層得到恢復(fù)。四、金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在汽車發(fā)動機維修中的應(yīng)用（一） 汽車發(fā)動機中活塞環(huán)和氣缸的磨損分析 由于氣缸與活塞環(huán)相互運動摩擦，氣缸會出現(xiàn)中間大兩頭小的腰鼓形磨損。造成這樣磨損的原因是：活塞環(huán)的刮油作用阻止?jié)櫥瓦M入氣缸上部，即使極少量潤滑油通過活塞環(huán)的泵油作用被送到上部，也會在壓縮、做功沖程產(chǎn)生的高溫高壓下燃燒殆盡，加之活塞不均勻的沖擊載荷、潤滑不良、散熱不利等因素，沿高度方向、氣缸徑向都有大小不同的磨損，在上止點附近形成比其它部位更嚴重的磨損，活塞環(huán)不接觸的上口幾乎沒有磨損而形成臺階。在風沙大、灰塵多或濾清器保養(yǎng)不良的條件下，這樣氣

9、缸就出現(xiàn)了中間大兩頭小的腰鼓形磨損。（二）運用金屬磨損自修復(fù)技術(shù)對汽車發(fā)動機中活塞環(huán)和氣缸的修理方法1、氣缸處于極限磨損范圍內(nèi)、活塞環(huán)磨損不夠嚴重還可正常使用，此時，可不解體發(fā)動機，采用金屬磨損自修復(fù)技術(shù)進行修理。其修理方法為：1）先將修復(fù)材料由氣缸頂部的火花塞孔、噴油器(柴油發(fā)動機孔注入氣缸內(nèi)。盡量避免將修復(fù)材料加到活塞的頂部。再切斷供油系統(tǒng)，啟動馬達34次，每次持續(xù)5秒鐘，每次間隔10秒鐘，使機油通過飛濺式、強制式潤滑將修復(fù)材料粒子送到摩擦表面，利用活塞工作受力不均勻，變載運動對氣缸套修復(fù)。 2）按一定比例分若干次在機油中加入修復(fù)材料，直到發(fā)動機性能恢復(fù)。3）修復(fù)材料處理期內(nèi)機油應(yīng)無泄漏，

10、如有泄漏按原比例補充修復(fù)材料。 2、如果活塞環(huán)、氣缸同時嚴重磨損，不能使用的維修方法為：1）更換活塞環(huán)，研磨氣門，更換氣門油封，加裝氣缸套，清理活塞積碳。 2）裝配活塞、活塞環(huán)至氣缸內(nèi)。3）將活塞至下至點，用修復(fù)材料在各氣缸壁表面均勻涂抹。 4）裝配氣缸蓋總成 5）按方法1中1）、2）操作方法完成。 3、 因發(fā)動機水箱缺水行駛、發(fā)動機過熱造成拉缸故障的維修方法為：1）更換活塞環(huán)，研磨氣門，更換氣門油封，清理活塞積碳。 2）用細砂紙修理氣缸內(nèi)壁粘著物并清潔其表面。3）將活塞至下死點，用修復(fù)材料在各氣缸壁表面均勻涂抹。 4）裝配氣缸蓋總成 5）按方法1中1）、2）操作方法完成。五、金屬磨損自修復(fù)技

11、術(shù)對汽車發(fā)動機維修后的試驗結(jié)果1、性能試驗汽車發(fā)動機在使用中因氣缸、活塞等的摩擦阻力加大和配合間隙加大, 造成其動力性能有不同程度的下降, 通過金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在其氣缸、活塞環(huán)等摩擦表面上生成超硬、超滑的金屬陶瓷層, 并自動修復(fù)其磨損部位后,經(jīng)發(fā)動機臺架試驗，性能會發(fā)生如下變化：氣缸壓縮比提高10-15% 熱機怠速油壓增加98-147kp 1.0-1.5 kg/cm2發(fā)動機動力提高5-25% 發(fā)動機油耗下降5-15%、有害氣體CO、HC排放降低10-50% 、NO下降16-18%。降低機械振動、減少噪音。2、氣缸理化試驗對通過金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在發(fā)動機氣缸表面上生成的金屬陶瓷保護層

12、作金相觀測，如圖2、3所示。圖2. 發(fā)動機氣缸金屬陶瓷保護層的光學(xué)顯微鏡像圖3 局部放大顯示（左為金屬陶瓷層，右為鑄鐵珠光體）經(jīng)實物目測，通過金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在發(fā)動機氣缸表面生成的金屬陶瓷保護層烏黑發(fā)亮，有淡蘭色金屬光澤。對其進行力學(xué)和物理性能檢測，其檢測結(jié)果如下：摩擦系數(shù)：0.003-0.007（比油膜潤滑低一個數(shù)量級）顯微硬度Hv：提高1倍表面粗糙度：Ra=0.0694mm 達14級(屬極光滑表面類膨脹系數(shù)：13.6-14.2（與鋼相同）耐高溫：1575-1600耐腐蝕：優(yōu)良沖擊強度： 50kg/mm2試驗結(jié)果證明：這種耐磨的保護層有優(yōu)良的力學(xué)和物理性能。六、結(jié)論：金屬磨損自修復(fù)技術(shù)是通過Mg3(Si2O5(OH4天然晶體顆粒在摩擦熱的作用下發(fā)生的化學(xué)置換反應(yīng)，在發(fā)生摩擦磨損的鐵基金屬表面生成硅酸鐵鹽金屬陶瓷層，使摩擦表面具有極好的耐磨特性和極高的光潔度，其顯微硬度比原基體硬度提高一倍。其獨特之處是對磨損部位有不需拆卸的自修復(fù)作用，它可使已磨損的機械零件恢復(fù)到原尺寸狀態(tài)，使用壽命可得到大幅度延長，可靠性水平也得到相應(yīng)提高。并且由于機械零件間的摩擦系數(shù)降低，可節(jié)省大量動力能源消耗。因此，可以廣泛地應(yīng)用于汽車維修領(lǐng)域中。參考文獻：1、史佩京，徐濱士，劉世參表面工程技術(shù)在發(fā)動機零部件修復(fù)與強化中的應(yīng)用 2、金屬磨損自修復(fù)材料功效的實驗室